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Mar 29, 2023 186 likes •407 views

Lars Ma'sson Dark Cosmology Centre In collabora6on with: Anja C. Andersen, Darach Watson, Tayyaba Zafar, (Haley Gomez, Mikako Matsuura) Large amounts

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SLIDE 1

Lars ¡Ma'sson ¡ Dark ¡Cosmology ¡Centre ¡

¡ In ¡collabora6on ¡with: ¡ ¡ Anja ¡C. ¡Andersen, ¡Darach ¡Watson, ¡Tayyaba ¡Zafar, ¡(Haley ¡Gomez, ¡Mikako ¡Matsuura) ¡

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Large ¡amounts ¡of ¡dust ¡at ¡high ¡redshiJ ¡

Bertoldi ¡et ¡al. ¡(2003, ¡A&A, ¡406, ¡L55), ¡Michalowski ¡et ¡al. ¡(2011) ¡and ¡others…. ¡

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Large ¡amounts ¡of ¡dust ¡at ¡high ¡redshiJ ¡

Ma'sson ¡(2011, ¡MNRAS, ¡414, ¡781) ¡

Almost ¡all ¡metals ¡in ¡dust ¡grains? ¡ ¡

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SLIDE 4

Implica6ons ¡of ¡the ¡observa6ons ¡

  • Maximum ¡6me ¡to ¡build ¡large ¡dust ¡masses: ¡

<400–500 ¡Myr. ¡

  • SNe ¡can ¡produce ¡dust ¡rapidly, ¡but ¡also ¡destroy ¡

dust ¡– ¡A ¡catch ¡22! ¡

  • The ¡universe ¡have ¡been ¡at ¡least ¡as ¡dusty ¡and ¡

possibly ¡even ¡more ¡dusty ¡at ¡earlier ¡epochs. ¡ But ¡how? ¡

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Supernova ¡dust ¡produc6on ¡efficiency ¡

Mass ¡of ¡dust ¡that ¡survives ¡the ¡passage ¡of ¡the ¡reverse ¡shock ¡in ¡the ¡ejecta, ¡as ¡a ¡func6on ¡

  • f ¡the ¡mass ¡of ¡the ¡progenitor ¡star ¡and ¡of ¡the ¡density ¡of ¡the ¡surrounding ¡ISM. ¡

Similar ¡findings ¡by ¡Nozawa ¡et ¡al. ¡(2003, ¡Apj, ¡) ¡ (Theory) ¡

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Observa6onal ¡limits ¡on ¡SN ¡dust ¡

SN1987A ¡

  • A ¡100% ¡dust ¡efficiency. ¡
  • All ¡metals ¡are ¡locked ¡up ¡in ¡

dust ¡– ¡no ¡free ¡metals ¡to ¡ enter ¡the ¡ISM? ¡

Matsuura ¡et ¡al. ¡2011 ¡

Very ¡li'le ¡warm ¡dust ¡

  • bserved ¡in ¡SNe, ¡< ¡10–2 ¡MO ¡

(e.g. ¡Wooden ¡et ¡al. ¡1993, ¡ApJS, ¡88, ¡ 477; ¡Elmhamdi ¡et ¡al. ¡2003, ¡A&A, ¡ 426, ¡963; ¡Kotak ¡et ¡al. ¡2009, ¡ApJ, ¡ 704, ¡306; ¡Meikle ¡et ¡al. ¡2011) ¡

¡ But ¡controversy ¡over ¡large ¡ cold ¡dust ¡masses ¡in ¡SNRs… ¡

Gall ¡et ¡al. ¡(2011, ¡A&AR, ¡19, ¡43) ¡

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Crab ¡Nebula ¡

  • Progenitor: ¡9 ¡– ¡13 ¡Msun ¡(remnant: ¡neutron ¡star) ¡
  • Gomez ¡et ¡al. ¡(2012, ¡ApJ, ¡760, ¡96): ¡

– If ¡only ¡C-­‑dust: ¡ ¡ ¡0.13 ¡Msun ¡(the ¡Crab ¡appears ¡C-­‑rich) ¡ – If ¡only ¡Silicates: ¡ ¡0.25 ¡Msun ¡

  • 12 ¡Msun ¡star ¡produces ¡0.6 ¡-­‑ ¡0.7 ¡Msun ¡of ¡metals. ¡ ¡
  • Dwek ¡et ¡al. ¡(2007): ¡ ¡Msilicates ¡< ¡0.27 ¡Msun ¡
  • MC ¡= ¡0.082 ¡Msun ¡→ ¡ ¡MC-­‑dust ¡< ¡0.082 ¡Msun ¡ ¡
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SLIDE 8

Cold ¡dust: ¡SN ¡1987 ¡A ¡

  • Progenitor: ¡15 ¡– ¡20 ¡Msun ¡
  • Matsuura ¡et ¡al. ¡(2011, ¡Science, ¡333, ¡1258): ¡

– If ¡only ¡silicates: ¡ ¡ ¡2.4 ¡Msun ¡ – If ¡only ¡C-­‑dust: ¡ ¡ ¡ ¡0.35 ¡Msun ¡ – If ¡C-­‑dust ¡+ ¡silicates: ¡ ¡0.5 ¡– ¡0.7 ¡Msun ¡

  • 18 ¡Msun ¡star ¡produces ¡2.0 ¡– ¡2.2 ¡Msun ¡of ¡metals. ¡ ¡
  • Dwek ¡et ¡al. ¡(2007):

¡Msilicates ¡< ¡0.56 ¡Msun ¡

  • MC ¡= ¡0.25 ¡Msun ¡→ ¡ ¡

¡MC-­‑dust ¡< ¡0.25 ¡Msun ¡ ¡

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SN ¡1987 ¡A ¡

  • More ¡elaborate: ¡upper ¡

limit ¡~0.2 ¡Msun. ¡

  • The ¡reason ¡is ¡dust ¡
  • chemistry. ¡
  • S6ll ¡1.2 ¡Msun ¡of ¡

molecules ¡– ¡ices? ¡

Cherchneff ¡(2010, ¡APSC, ¡425, ¡237) ¡ Cherchneff ¡& ¡Dwek ¡(2009, ¡Apj, ¡703, ¡642) ¡

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SLIDE 10

Solu6ons? ¡

Crab: ¡T-­‑distribu6on ¡ SN ¡1987 ¡A: ¡“dirty ¡ice” ¡ Factor ¡of ¡two. ¡ Factor ¡of ¡ten!! ¡ Ma'sson, ¡Andersen, ¡Gomez ¡& ¡Matsuura ¡(2013, ¡in ¡prep.) ¡

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Implica6on ¡on ¡dust ¡from ¡SN ¡ theory ¡and ¡observa6ons ¡

  • SNe ¡forms ¡most ¡of ¡the ¡elements. ¡
  • Theore6cal ¡models ¡predict ¡(significant) ¡dust ¡

forma6on ¡to ¡occur ¡in ¡the ¡remnant. ¡

  • Observed ¡masses ¡of ¡cold ¡dust ¡very ¡uncertain: ¡

T-­‑distribu6on, ¡dirty ¡ices? ¡

  • Net ¡dust ¡produc?on ¡unclear ¡as ¡it ¡depends ¡on ¡

the ¡harsh ¡environment, ¡reverse ¡shock, ¡

  • clumps. ¡
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Grain ¡growth ¡in ¡the ¡ISM ¡

Dartois ¡2006, ¡A&A ¡445, ¡959 ¡

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Grain ¡growth ¡in ¡the ¡ISM ¡

Dartois ¡2006, ¡A&A ¡445, ¡959 ¡

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SLIDE 14

Grain ¡destruc6on ¡in ¡the ¡ISM ¡

  • Shock ¡waves ¡from ¡supernovae ¡induce ¡

spu'ering ¡-­‑> ¡6mescale ¡depends ¡on ¡SN ¡rate! ¡

  • Hea6ng ¡may ¡lead ¡to ¡sublima6on. ¡
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Invariant ¡dust-­‑to-­‑metals ¡ra6o ¡

Zafar ¡& ¡Watson ¡(2013, ¡in ¡prep.) ¡

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Invariant ¡dust-­‑to-­‑metals ¡ra6o ¡

Zafar ¡& ¡Watson ¡(2013, ¡in ¡prep.) ¡ Dust/metals ¡= ¡0.5 ¡± ¡0.2 ¡

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Invariant ¡dust-­‑to-­‑metals ¡ra6o ¡

  • Dust ¡evolu6on ¡model: ¡

– Simplis6c ¡model ¡of ¡stellar ¡dust ¡produc6on: ¡ ¡Closed ¡ box, ¡constant ¡stellar ¡dust ¡yield. ¡ – Solving ¡the ¡full ¡moment ¡equa6ons ¡for ¡growth ¡and ¡ destruc6on ¡of ¡dust ¡in ¡the ¡ISM. ¡

  • Monte ¡Carlo ¡simula6on: ¡

– Genera6on ¡of ¡270000 ¡random ¡“galaxies”. ¡ – Low, ¡medium ¡and ¡high ¡efficiencies ¡of ¡stellar ¡dust ¡ produc6on ¡(yd/yz), ¡ISM ¡growth ¡(fs) ¡and ¡destruc6on ¡ (tau_dd) ¡were ¡tested. ¡ ¡

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SLIDE 18

Invariant ¡dust-­‑to-­‑metals ¡ra6o ¡

0 ¡ 1000 ¡ 2000 ¡ 3000 ¡ 4000 ¡ 5000 ¡ 6000 ¡ 7000 ¡ 8000 ¡ 1 ¡ 3 ¡ 5 ¡ 7 ¡ 9 ¡ 11 ¡ 13 ¡ 15 ¡ 17 ¡ 19 ¡ 21 ¡ 23 ¡ 25 ¡ 27 ¡ Series1 ¡ yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ 15% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 41% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 44% ¡

All ¡models ¡ These ¡two ¡models ¡have ¡yd/yz ¡= ¡0.8 ¡

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Invariant ¡dust-­‑to-­‑metals ¡ra6o ¡

yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ 37% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 32% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 31% ¡

Tau_dd ¡= ¡0.07 ¡Gyr ¡

yd/ yz ¡= ¡ 0.2 ¡ 6% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 34% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 60% ¡

Tau_dd ¡= ¡0.7 ¡Gyr ¡

yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ 1% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 48% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 51% ¡

Tau_dd ¡= ¡7.0 ¡Gyr ¡

yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ 0% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 46% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 54% ¡

fs ¡= ¡0 ¡

yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ 38% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 32% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 30% ¡

fs ¡= ¡0.5 ¡

yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ 39% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 32% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 29% ¡

fs ¡= ¡1.0 ¡

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Invariant ¡dust-­‑to-­‑metals ¡ra6o ¡

yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ 37% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 32% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 31% ¡

Tau_dd ¡= ¡0.07 ¡Gyr ¡

yd/ yz ¡= ¡ 0.2 ¡ 6% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 34% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 60% ¡

Tau_dd ¡= ¡0.7 ¡Gyr ¡

yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ 1% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 48% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 51% ¡

Tau_dd ¡= ¡7.0 ¡Gyr ¡

yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ 0% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 46% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 54% ¡

fs ¡= ¡0 ¡

yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ 38% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 32% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 30% ¡

fs ¡= ¡0.5 ¡

yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ 39% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 32% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 29% ¡

fs ¡= ¡1.0 ¡

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Invariant ¡dust-­‑to-­‑metals ¡ra6o ¡

0 ¡ 1000 ¡ 2000 ¡ 3000 ¡ 4000 ¡ 5000 ¡ 6000 ¡ 7000 ¡ 8000 ¡ 1 ¡ 3 ¡ 5 ¡ 7 ¡ 9 ¡ 11 ¡ 13 ¡ 15 ¡ 17 ¡ 19 ¡ 21 ¡ 23 ¡ 25 ¡ 27 ¡ Series1 ¡ yd/yz ¡= ¡0.2 ¡ 52% ¡ yd/yz ¡= ¡0.5 ¡ 38% ¡ yd/yz ¡= ¡0.8 ¡ 10% ¡

Tau_dd ¡= ¡0.7 ¡Gyr, ¡fs ¡= ¡0.5, ¡1.0 ¡

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Conclusions ¡

  • Stellar ¡dust ¡produc6on ¡vs. ¡interstellar ¡dust ¡growth ¡is ¡a ¡

false ¡dichotomy! ¡

  • Supernovae ¡are ¡significant ¡dust ¡producers ¡but ¡the ¡

efficiency ¡is ¡likely ¡<50% ¡-­‑ ¡not ¡at ¡all ¡close ¡to ¡ ¡100%! ¡ ¡

  • Be'er ¡modelling ¡of ¡dust ¡flux ¡appears ¡to ¡lower ¡the ¡
  • bserved ¡dust ¡masses ¡(SNe ¡as ¡well ¡as ¡high-­‑z ¡galaxies). ¡
  • SN ¡seems ¡a ¡likely ¡stellar ¡source ¡at ¡high ¡z, ¡while ¡AGB ¡

stars ¡are ¡minor ¡contribu6ons ¡at ¡best. ¡ ¡

  • Interstellar ¡dust ¡growth ¡is ¡also ¡important, ¡but ¡stars ¡s6ll ¡

need ¡to ¡provide ¡the ¡seeds. ¡